16MND5接管堆焊層下裂紋原因分析

中廣核工程有限公司(廣東深圳 518124)石曾偉 辛建民 劉世輝

1.概述

圖1為某項目反應堆壓力容器的一進口接管，內壁堆焊后經超聲波檢測發現，存在大量線性顯示。為制定合理的返修方案，筆者對查找原因進行了分析并提出相應的建議。

進口接管材質為16MND5鍛件，內壁用奧氏體不銹鋼焊帶進行堆焊，堆焊層的厚度為6mm，堆焊所用的不銹鋼焊材分別是EQ309L、EQ308L。經0°和70°超聲波檢測，缺陷當量相當于φ2mm。缺陷分布于內壁四周，長度大部分在40mm左右，深度在離堆焊層表面9～10mm。機加工去除堆焊層后，再機加至母材1mm，經磁粉檢測仍有部分缺陷，如圖2所示。經進一步機加工2mm母材后，磁粉檢測未發現缺陷。

圖1 進口接管示意

圖2 磁粉檢測缺陷

2.原因查找

（1）母材方面 對母材鍛件和EQ309L、EQ308L焊帶進行化學成分分析，結果符合采購技術規范要求，其中母材的復驗結果如表1所示，化學成分與母材質保書所記錄數據基本一致，母材夾雜物含量（A、B、C、D共4類）0.5級，滿足采購技術規范≤1.5級的要求。

表1 接管母材化學成分復驗結果（質量分數） （%）

（2）焊接方面 焊接過程中的氫可能是造成裂紋產生的原因之一，氫可能來源于焊材、潮濕的空氣及被污染的環境等。氫在焊接應力的作用下易產生冷裂紋，冷裂紋常發生在母材表面碳當量較高的偏析帶上。堆焊層下裂紋出現后，我們核查了焊接記錄及相關的焊接工藝評定和焊接操作規程等技術文件，檢查中發現，堆焊時預熱溫度略大于要求下限值150℃，堆焊EQ309L后的后熱處理時間和溫度也都略大于要求值下限，可能造成堆焊后去氫處理不充分，可以判斷施焊的焊接參數、預熱溫度和后熱處理等方面雖然滿足相關要求，但不是最優的施焊方案，這可能是造成堆焊層下裂紋的因素之一。

（3）金相檢測 選取鍛件適當部位進行金相檢測，用PTI—2000型現場金相儀進行金相檢測。使用4%硝酸酒精對其進行侵蝕，檢測結果如圖3和圖4所示。

圖3 裂紋處顯微組織（400×）

圖4 夾雜物沿裂紋分布（200×）

從金相圖像上可以看到，裂紋區域表面己到達母材區域，裂紋的大部分位于鍛件母材處，裂紋存在分枝現象，大小不一的夾雜物沿裂紋附近分布。

（4）硬度試驗 在現場對已挖去堆焊層的母材，選取3個裂紋附近進行現場維氏硬度試驗，結果如表2所示。

表2 硬度測量值

從硬度檢測結果看，近裂紋區內的硬度值高于遠裂紋區域，20mm和15mm長裂紋近裂紋區硬度值偏高近30%，初步判斷，裂紋系母材存在的冶金缺陷在焊接熱應力作用下擴展而形成的，缺陷處硬度值較高，且存在夾渣物。

（5）返修處理 經過以上分析判斷，接管堆焊層下裂紋的產生是由于母材夾雜物分布不均和施焊工藝不理想共同作用的結果。為此，制定以下返修方案：機加母材厚度3mm，打磨凹坑區域與周圍母材平滑過渡，經磁粉、滲透檢測后，確認裂紋缺陷己完全去除；優化施焊工藝參數，提高預熱溫度至160℃，帶極堆焊EQ309L（適當降低焊接熱輸入量，控制在5kJ/mm范圍內），層間溫度控制在150～200℃；提高后熱溫度和保溫時間(400℃，4h)；保持預熱溫度在160℃左右，帶極堆焊EQ308L，熱輸入量控制在5.5kJ/mm左右，層間溫度控制在150～200℃；立即中間熱處理，緩慢升溫至600℃，升溫速率控制在50℃/h，保溫6h；機加工至圖樣要求尺寸。按以上方案返修完成后，經超聲波檢測，未發現缺陷。

3.分析與討論

接管鍛件經歷了熔煉、鍛造、熱處理等制造過程，在金屬冶煉時，液態合金在澆鑄過程中會產生各種氧化物，同時伴隨著外來夾雜物混入到液態金屬中。由于溫度的變化和分布不均勻性，所以在鍛壓時金屬塑性流動差別大，造成夾雜物分布不均。

鍛件原材料理化取樣按照采購技術規范要求，在接管外表面40mm深度截取，如果原材料的夾雜物缺陷位于接管內表面淺層，就可能無法發現。而此次發現裂紋區夾雜物均在鍛件內壁的表面下，所以在之前的質量檢驗過程中均未發現問題。

在接管內壁進行堆焊過程中，由于實施了不太理想的施焊工藝，可能造成去氫不太徹底，在焊接熱輸入較大的情況下，產生了較大的焊接熱應力。

4.結語

16MND5接管鍛件內壁堆焊后出現層下裂紋，經以上分析，主要是由于鍛件接管內存在較多的夾雜物，在不太理想的施焊參數下，在焊接熱應力的反復作用下產生的。通過徹底清除缺陷、優化施焊工藝參數，經焊接返修后超聲波檢測，結果合格。